风光储联合发电系统与控制分析

甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司 张巨莉

在倡导低碳经济、节能减排、生态文明建设的新时代，风能、太阳能等成为“资源节约型、环境友好型”社会建设的重要新能源。随着国内外新能源领域理论与实践研究的进步，用以提升风能及太阳能能量转化率、能源利用率的风光储联合发电系统应运而生，其将风力发电系统及光伏发电系统结合为有机整体，支持能源的储存、运输与使用，可在很大程度上满足人口与经济对能源的巨大需求，并且其具有能源节约、对周边生态环境负面影响较小的优势，因此在各领域具有广泛的应用前景。

1 风光储发电系统分析

风光储发电系统（图1）是风力发电系统及光伏发电系统的有机结合体，系统内蓄电池组逆变器将风力发电及光伏发电转化为与电网电压同频同相的交流电并输送给电网。

图1 风光储发电系统结构示意图

1.1 风力发电系统

风力发电系统以风能作为驱动力，其内部的风力机将风能转化为机械能，并带动发电机叶片转动，此时发电机将机械能转化为电能，最终并网实现给电网系统的供配电。

风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、发电机、偏航系统、控制器组成。其中风轮是风能的着力点，其启动的条件为切入风速为3至4m/s。随着风速值的增加，风力发电机的输出功率也会有所提升。如果风速在额定风速以内，风力发电机输出功率为额定功率，如果风速超过了切入风速值，将会影响装置的稳定性及可靠性，此时风轮关闭；齿轮箱也被称之为增速箱，当风轮转速较低时可通过加大齿轮箱中副齿轮的速度以使风轮转速达到发电机发电的转速。

发电机是风力发电系统中关键的装置之一，当前较为常用的发电机类型为双馈异步发电机，新型的永磁同步、电励磁同步发电机也在研究与投入使用中。通常情况下，发电机的负荷与风速呈正相关关系，风速越大发电机能量利用率越高，反之亦然；偏航系统主要用于检测风速、保证偏航齿轮负荷均匀，继而实现风能利用的最大化；控制器具有监测风轮运行状态、滤除谐波、大功率整流的作用。

1.2 光伏发电系统

光伏发电是一种直接发电的方式，其利用由半导体制成的光伏电池板将光能转化为电能，具有可靠性高、支持独立及并网运行、生态环保、使用寿命长的优势[1]。根据光伏发电系统应用场景、结构可将其分为三类：

独立型光伏发电系统（图2）。可脱离电网独立运行，直接将光伏电池板辐射转化而来的电能直接输送给负载。通常情况下独立型光伏发电系统包括直流及交流光伏发电系统两种类型，可根据有无逆变控制器加以区分；并网型光伏发电系统。输出端与电网连接，向电网系统内负载输送电能（图3）；分布式光伏发电系统。主要服务于个人或企业，将发电机安置在用户附近，用户根据系统的能耗、用电量、成本等对系统进行控制，能够满足不同企业及个人的个性化用电需求。该系统无需连入电网也不会受到电网相关人员的控制，用户自主式的发电可避免集中式供电电能利用率低的弊端。

图2 独立型光伏发电系统结构示意图

图3 并网型光伏发电系统结构示意图

1.3 储能系统

风力发电及太阳能发电具有较强的间歇性、不稳定性与随机性，例如阴雨天气太阳光照度不足，此时光伏发电系统可能出现输出功率过低无法支持负载运行的情况；再如风速或低于或高于其切入风速值导致输出功率不稳定、负载运行电压波动幅度较大。为此需在风光储发电系统中引入可弥补风力发电、太阳能发电缺点的储能系统，以提高系统整体运行的稳定性与可靠性。按照能量转换形式可将储能系统分为机械储能、电磁储能、电池储能三大类。

机械储能：能量转换形式为电能—机械能，分为抽水蓄能（储能容量大，技术较为成熟，但建设周期长、能量转化率较低、对环境的依赖程度较高）；压缩空气储能（储能容量较大，但建设周期较长、能量转化率较低、对环境的依赖程度较高）；飞轮储能（储能容量大，适应性强，但建设成本较高）。

电磁储能：能量转换形式为电能—电磁能，分为超导储能（具有响应及时、储能密度高的优势，但容量小、技术尚不成熟、成本较大）；超级电容储能（储能密度大、使用期限较长，但容量过低）。

电池储能：能量转换形式为电能—化学能，分为铅酸电池（构造成本低、技术较为成熟，但储能效率低、会对环境造成污染、循环寿命较短）；NaS、Li（容量大、体积小，但难以大规模集成）；液体电池（可逆性好、副反应小、稳定可靠、能100%放电且易于集成）。

2 风光储联合发电系统分析

风光储联合发电系统由风力发电系统、光伏发电系统、储能系统构成[2]，如图4。其中风力发电系统的关键装置为风力发电机组，其变量传递与控制关系如图5。

图4 风光储联合发电系统电气连接示意图

图5中Pref为风电场为满足电网运行需求所制定的基准有功功率，Pjref为风光储联合发电系统中每一台风力发电机组预期输出有功功率。风力发电机组风能利用率可用Cp（风能利用系数）衡量，某台风力发电机组机械功率分析流程为：Pm=TMΩ，式中Pm为通过风轮的风能量；ν为风轮前方速度；ρ为空气密度；D为风轮直径；S为风轮扫过的面积；Cp为风能利用系数，其为叶尖速λ与桨距角β的函数，。

图5 风力发电机组变量传递与控制关系

风力发电组中风轮是风能着力点，其最小的启动风速υ1；额定风速υ2，此时风力发电机组输出额定功率；当风速大于额定风速时风力发电机组输出功率不会增加，当达到最大风速υ3时风轮停止，以保证系统的安全。由图6可知，当风速在υ1到υ2之间时，风力发电机组输出功率随着风速的增加而提高；当风速在υ2至υ3之间时，风力发电机组输出功率为额定功率且较为稳定。此外可发现风力发电机组输出的能量一直小于风力具有的能量。

图6 风速与风力能量、风速与发电机组输出能量关系示意图

改变光伏发电系统负载大小，记录相对应的电压值及电流值可得出光伏电池工作特性曲线，如图7。图7中(Um,Im)点光伏电池工作电压与电流乘积最大，此即为光伏电池组最大功率点。

图7 光伏电池工作特性曲线

对于风光储联合发电系统来说，其储能系统充放电能力与蓄电池组剩余电量有关。当电池初始总电量以及荷电状态一定时，其荷电状态可看作与充放电电流呈线性关系变化。在电池充电时荷电状态增加，放电时荷电状态减少。

3 风光储联合发电系统的控制

3.1 有功功率的控制

风光储联合发电系统的有功功率输出曲线可看成是具有不同波动分量叠加而成的结果，因此联合发电系统的有功功率控制可看成是去除高频波动分量的过程。本章以低通滤波器的原理为基础，提出了一种有功功率的控制策略——平滑控制，其主要目的在于利用低通滤波器滤除高频波动分量，使得最终有功功率输出的变化平缓，以减小功率波动对电网的影响，即抑制短时间内的功率波动。因此对风光联合发电系统的有功功率的平抑可从平抑快速波动的分量入手。平抑功率波动的策略，是要尽量去除联合发电系统输出功率中的中、高频有功功率分量，减少风光储联合发电系统的输出功率变化。通过对有功功率的有效控制，从而为电力系统提供较为稳定的功率输出。

3.2 电流的控制

电压源型逆变器是风光储联合发电系统中最为常用的逆变器，其直流侧为电压源。文章以电压源型逆变器为例，结合该类型逆变器的特点以及并网方式分析风光储联合发电系统中并网电流的控制方法。

滞环控制。该电流控制策略是指利用滞环原理将风光储联合发电系统中的并网电流控制在滞环范围之内，以避免谐波电流对系统产生干扰。此种电流控制策略具有响应快、稳定性强等优势；滑模控制。能对风光储联合发电系统中的高频率、波动性电流进行跟踪，并该电流与预先设定的电流波动进行对比，如果电流波动超出预设范围则对其进行动态化控制。该电流控制策略的优势在于能够在不同状态空间下进行高频率切换，并可反馈电流的波动情况，可满足风光储联合发电系统不同的运行情况。此种控制策略虽然稳定性较强、响应速度较快，但也具有一定应用局限性。因此在选择电流控制策略时还需根据实际情况而定。